(A) GELOMBANG TALI

Download Gelombang transversal yang memerlukan medium (tali) untuk menjalar .... Interferensi bergantung pada beda fase gelombang (ϕ) .... ▻Gelomban...

0 downloads 436 Views 1MB Size
(a) Gelombang Tali ► ►

Gelombang transversal yang memerlukan medium (tali) untuk menjalar Dengan analisis gaya didapatkan persamaan diferensial tali

∂2 y ∂x 2 ►

T ∂t 2

Sehingga Laju gelombang tali

v= ►

=

µ ∂2 y

F

m dimana µ = dan F = T = tegangan tali L µ

Laju bergantung pada sifat dari medium yang dilewati gangguan

Energi dan daya yang ditransmisikan oleh gelombang tali harmonik ►

Energi total massa yang berosilasi adalah ½kA2 dengan k=mω2 sehingga untuk segmen tali bermassa ∆m=µ ∆x 1 1 2 2 ∆E = ( ∆m )ω A = µω 2 A 2 ∆x 2 2 1 ∆E = µω 2 A2 v∆t karena ∆x = v∆t 2

dE 1 P= = µω 2 A 2 v dt 2

2

P = v px

Daya yang ditransmisikan oleh gelombang tali harmonik

1 µω 2 A2 px = 2 v

Rapat momentum gelombang tali

Refleksi dan Refraksi ►

Bila suatu gelombang datang pada suatu permukaan batas yang memisahkan dua daerah dengan laju gelombang yang berbeda, maka sebagian gelombang akan dipantulkan (refleksi) dan sebagian lain akan ditransmisikan



Berkas yang terpantul membentuk sudut dengan garis normal permukaan yang besarnya sama dengan sudut berkas datang → berlaku untuk semua gelombang



Berkas yang ditransmisikan akan dibelokkan mendekat atau menjauh dari garis normal-bergantung pada apakah laju gelombang pada medium kedua lebih kecil atau lebih besar daripada laju gelomnag dalam medium datang.Pembelokan berkas yang ditransmisikan disebut refraksi (pembiasan) → berlaku untuk semua gelombang

Refleksi Gelombang Tali – Ujung Terikat ► Ketika

gelombang berjalan mencapai ujung, beberapa atau semua gelombang dipantulkan

► Ketika

gelombang dipantulkan dari ujung terikat, pulsa gelombang akan dibalikkan (ada pembalikan fase)

Animasi 11.16

Refleksi Gelombang Tali – Ujung Bebas ► Ketika

gelombang berjalan mencapai ujung, beberapa atau semua pulsa gelombang dipantulkan

► Ketika

gelombang dipantulkan dari ujung bebas, pulsa gelombang tidak dibalikkan (tidak ada pembalikan fase) Animasi 11.17

Superposisi Gelombang ► Dua

gelombang yang berjalan dapat bertemu dan saling melewati satu sama lain tanpa menjadi rusak atau berubah ► Gelombang memenuhi Prinsip Superposisi  Jika dua gelombang atau lebih yang merambat bergerak melewati medium, gelombang yang dihasilkan adalah penjumlahan masing-masing perpindahan dari tiap gelombang pada setiap titik  Sebenarnya hanya berlaku untuk gelombang dengan amplitudo yang kecil Animasi 11.18

Interferensi Interferensi = Superposisi gelombang harmonik Tinjau: Dua gelombang harmonik dengan frekuensi, panjang gelombang dan amplitudo yang sama (A) dan sama-sama bergerak ke kanan berbeda fase. Pilih saat t = 0 Interferensi bergantung pada beda fase gelombang (ϕ)

ψ = Asin(kx + ϕ )

Simpangan

Jika beda fase:

ψ = Asin kx

1

0.5

x 2

4

6

8

10

12

ϕ = 0,2π,4π,….2πn (sefase), beda lintasan = nλ → Interferensi konstruktif → Agelgabang = 2A ϕ = π, 3π, 5π …(2n-1),

-0.5

-1

beda lintasan = (n + ½)λ → ϕ

Interferensi destruktif → Agel gabang = 0 Sembarang ϕ → Agel gab=2A cos ϕ/2

Interferensi Konstruktif ► Dua

gelombang, a dan b, mempunyai frekuensi, panjang gelombang, amplitudo yang sama dan berada dalam satu fase (ϕ=0) ► Gabungan gelombang (c) memiliki amplitudo dua kali amplitudo semula

Interferensi Destruktif ► Dua

gelombang, a and b, mempunyai frekuensi,panjang gelombang dan amplitudo yang sama, beda fase ϕ= 180o

► Ketika

bergabung, bentuk gelombangnya hilang Animasi 11.19

Gelombang Berdiri ►

► ►

Bila gelombang terbatas pada ruang, ketika gelombang menjalar akan ada pantulan gelombang pada kedua ujungnya,shg akan menciptakan gelombang berjalan dalam dua arah Gelombang dan pantulannya berinterferensi sesuai dengan prinsip superposisi Dengan frekuensi yang tepat, gelombang akan terlihat seperti berdiri  Gelombang ini disebut gelombang berdiri/gelombang

stasioner  Frekuensi-frekuensi yang menghasilkan pola-pola tersebut disebut frekuensi resonansi

Sifat-sifat gelombang berdiri ► Simpul

: titik-titik yang selalu diam.

Simpul terjadi ketika dua buah gelombang berjalan memiliki besar perpindahan yang sama, tetapi perpindahannya dalam arah yang berlawanan  Perpindahan neto adalah nol pada setiap titik  Jarak antara dua simpul adalah ½λ

► Perut

: titik-titik yang dapat mencapai simpangan maksimum Perut terjadi ketika gelombang berdiri bergetar dengan amplitudo maksimum

Gelombang Berdiri pada Tali (terikat pada kedua ujung) ► Frekuensi

getaran terendah dinamakan frekuensi

fundamental / frekuensi nada dasar (f1). L=n

λn 2

,

n = 1, 2,3...

Syarat gelombang berdiri untuk kedua ujung terikat

nv n F ƒ n = n ƒ1 = = 2L 2L µ Fig 14.18, p. 443 Slide 25

Frekuensi resonansi, kedua ujung terikat

Gelombang Berdiri pada Tali (terikat pada satu ujung dan bebas pada ujung lain ) L=n

λn 4

,

gelombang berdiri n = 1,3,5... Syarat untuk kedua ujung terikat

nv n ƒ n = n ƒ1 = = 4L 4L

Animasi 11.20

Animasi 11.21

F

µ

n = 1,3,5... Frekuensi resonansi, kedua ujung terikat

PR Gelombang Tali Buku Tipler Jilid I Hal 502-504 no. 45, 48, 56, 62 & 64

Gelombang bunyi ► Gelombang

longitudinal yang memerlukan medium dalam perambatannya (zat padat, cair dan gas)

► Sumber

bunyi: garputala, audio generator, dll

Garpu Tala sebagai penghasil Bunyi ►

Garpu tala akan menghasilkan sebuah nada yang murni



Ketika garpu bergetar, getarannya akan menggangu udara disekitarnya



Ketika garpu di tarik ke kanan, akan memaksa molekul udara disekitarnya saling berdekatan



Hal ini menghasilkan daerah dengan kerapatan yang tinggi pada udara  Daerah ini adalah mampatan

(commpression)

Penggunaan Garpu Tala (lanjutan) ► Ketika

garpu di tekan ke kiri (saling berdekatan), molekulmolekul udara di sebelah kanan garpu akan saling merenggang

► Menghasilkan

daerah dengan kerapatan yang rendah  Daerah ini disebut regangan

(rarefaction)

Penggunaan Garpu Tala (lanjutan)



Ketika garpu tala terus bergetar, serangkaian mampatan (compression) dan regangan (rarefaction) menjalar dari garpu



Kurva sinusoidal dapat digunakan untuk menggambarkan gelombang longitudinal  Puncak sesuai dengan mampatan dan lembah sesuai dengan regangan

Laju gelombang bunyi Laju gelombang bunyi B v =  Udara/air dengan B= modulus limbak, ρ ρ = rapat massa medium  Batang padat dan panjang dengan Y = modulus young

v=

Y

ρ xv2∂ =

B t∂

2

 Gas dengan T= temperatur mutlak dalam kelvin, R=8,314 J/mol, K=konstanta gas universal dan M=massa molar gas/massa 1 mol gas dan γRT v= γ=konstanta yang bergantung jenis gas M (untuk udara M=29.10-3 kg/mol dan γ=1.4)

Laju Gelombang Bunyi di Udara m T v = (331 ) s 273 K ► 331

m/s adalah laju gelombang bunyi pada 0° C ► T adalah suhu mutlak (T = tc + 273) K

Energi Gelombang Bunyi ►

Energi gelombang bunyi di udara adalah energi osilasi molekul udara yang bervibrasi dengan gerak harmonik sederhana sepanjang arah penjalaran gelombang. Analogi dengan energi gelombang pada tali (1D) tetapi untuk bunyi penjalaran 3D ∆m=ρ ∆V

1 2 2 1 ∆E = (∆m)ω A = µω2A2∆x 2 2 1 2 2 ∆E = µω Av∆t 2 Perubahan energi pada tali (1D)

1 1 ∆E = ( ∆m)ω 2 so 2 = ρω 2 so 2 ∆V 2 2 1 ∆E = ρω 2 so 2 Av∆t karena ∆V = Av∆t 2 Perubahan energi gelombang bunyi menjalar ke semua arah (3D) dengan so adalah amplitudo gelombang bunyi

Daya dan Intensitas bunyi ►

Jika sumber titik memencarkan gelombang secara seragam ke semua arah, energi pada jarak r dari sumber akan terdistribusi secara seragam pada kulit bola berjari-jari r dan luas 4πr2. Jika P adalah daya yang dipancarkan sumber yaitu energi per satuan waktu maka

∆E 1 P= = ρω 2 so 2 Av ∆t 2 ►

Dan intensitas (= daya per satuan luas yang datang tegak lurus terhadap arah penjalaran)

1 P 2 2 I= = ρω so v 2 4π r 2

Intensitas dari Sumber Titik ► Intensitas

berubah sebagai 1/r2, ini adalah

hubungan inverse square ► Daya

rata-rata yang melalui permukaan bola (sumber sebagai pusatnya) adalah sama ► Untuk membandingkan intensitas dari dua tempat, hubungan inverse square dapat digunakan

I1 r22 = 2 I 2 r1

Tingkat intensitas Gelombang Bunyi ► Kenyaringan

suara pada telinga manusia adalah logaritmik ► β adalah tingkat intensitas atau tingkat desibel dari bunyi I β = 10 log Io ► Io

adalah ambang pendengaran ► Ambang

pendengaran adalah 0 dB ► Ambang rasa sakit adalah 120 dB ► Pesawat jet sekitar 150 dB

Jenis Intensitas Gelombang Bunyi ► Ambang

Pendengaran  Bunyi terendah yang bisa didengar manusia  Sekitar 1 x 10-12 W/m2

► Ambang

Rasa Sakit  Bunyi terkeras yang masih bisa di toleransi manusia  Sekitar 1 W/m2

► Telinga

adalah detektor yang sensitif teradap gelombang bunyi

Kategori Gelombang Bunyi ► Gelombang

yang dapat didengar (audible)

 Dalam jangkauan pendengaran telinga manusia  Normalnya antara 20 Hz sampai 20.000 Hz ► Gelombang

Infrasonik

 Frekuensinya di bawah 20 Hz ► Gelombang

Ultrasonik

 Frekuensinya di atas 20.000 Hz

Aplikasi dari Gelombang Ultrasonik ► Dapat

digunakan untuk menghasilkan gambar dari benda yang kecil

► Secara

lebih luas digunakan sebagai alat diagnosa dan pengobatan di bidang medis  Ultrasonik flow meter untuk mengukur aliran darah  Dapat menggunakan alat piezoelectrik yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi mekanik ►Kebalikannya: mekanik ke listrik  Ultrasound untuk mengamati bayi di dalam kandungan  Cavitron Ultrasonic Surgical Aspirator (CUSA) digunakan dalam proses pembedahan untuk mengangkat tumor otak

Efek Doppler ► Efek

Doppler muncul ketika terdapat gerak relatif antara sumber gelombang dan pengamat  Ketika sumber dan pengamat saling mendekat, pengamat mendengar frekuensi yang lebih tinggi daripada frekuensi sumber  Ketika sumber dan pengamat saling menjauh, pengamat mendengar frekueni yang lebih rendah daripada frekuensi sumber

► Meskipun

Efek Doppler biasanya terjadi pada gelombang bunyi, fenomena tersebut terjadi juga pada gelombang yang lain

Efek Doppler ► Secara

umum frekuensi yang terdengar:

 v + vo   ƒ' = ƒ  v − vs  ► f=frekuensi sumber, v=laju gelombang bunyi, vo = laju sumber bunyi dan vs = laju pengamat ► vo dan vs positif jika bergerak saling mendekat  Frekuensi yang terdengar lebih tinggi ► vo

dan vs negatif jika bergerak saling menjauh

 Frekuensi yang terdengar lebih rendah Animasi 11.14

Animasi 11.15

Difraksi ►

Difraksi : pembelokan gelombang di sekitar suatu penghalang atau pinggir celah Suatu gelombang melewati suatu celah: • Jika lebar celah < λ maka akan terjadi difraksi. Saat difraksi terjadi arah penjalaran dan bentuk gelombang dapat berubah. Jika lebar celah sangat kecil maka di sekitar celah seolah-olah ada sumber titik pada celah tersebut sehingga dapat menjadi sumber gelombang baru • Jika lebar celah atau perintang > λ dekat tepi lubang, muka gelombang akan terdistorsi dan gelombang tampak sedikit membelok. Namun sebagian muka gelombang tidak terpengaruh • Jika lebar celah atau perintang >> λ, difraksi/pembelokan muka gelombang tidak akan teramati dan gelombang menjalar dengan garis atau berkas lurus

(c) Superposisi -Interferensi -Gelombang

berdiri (1) Gelombang berdiri pada tali (2) Gelombang berdiri kolom udara (bunyi) -Layangan -Polarisasi

Superposisi ► Bagaimana

dengan superposisi dua gelombang yang: Berbeda amplitudo? Berbeda frekuensi? Berbeda panjang gelombang? Berbeda laju gelombang?

Interferensi Tinjau: Dua gelombang harmonik dengan frekuensi, panjang gelombang dan amplitudo yang sama (A) sefase tetapi sumber gelombang terpisah ► Interferensi bergantung pada beda lintasan ►

ψ = A sin kx

ψ = A sin kx ►

x Beda Lintasan=0

Beda Lintasan=λ

Beda Lintasan=λ/2

Interferensi konstruktif

Interferensi konstruktif

Interferensi destruktif

Interferensi  Interferensi Konstruktif terjadi ketika perbedaan lintasan antara dua gelombang adalah nol atau kelipatan bulat ►Beda

lintasan = nλ

 Interferensi Destruktif terjadi ketika perbedaan lintasan antara dua gelombang adalah setengah kelipatan bulat ►Beda

lintasan = (n + ½)λ

Gelombang Berdiri pada Kolom Udara ► Jika

salah satu ujung dari kolom udara tertutup, simpul harus ada pada ujung tersebut karena pergerakan udara dibatasi ► Jika ujungnya terbuka, bagian dari udara memiliki kebebasan bergerak dan sebuah perut akan muncul

Pipa dengan Kedua Ujung Terbuka

Resonansi pada Kolom Udara dengan Kedua Ujung Terbuka ► Pada

pipa yang kedua ujungnya terbuka, frekuensi alami dari getaran membentuk sebuah deret yang harmonik yang sama dengan perkalian bulat frekuensi dasar

v ƒn = n , n = 1, 2, 3,K 2L

Pipa yang Tertutup pada Salah Satu Ujung

Resonansi pada Kolom Udara yang Tertutup pada Salah Satu Ujung Ujung tertutup adalah simpul ► Ujung terbuka adalah perut ►

v fn = n , n = 1, 3, 5,K 4L

Layangan ► Interferensi

dua gelombang dengan frekuensi berbeda namun hampir sama (∆f<<) ► Layangan bunyi akan terdengar suatu nada yang mempunyai intensitas yang berubah-ubah secara bergantian antara keras dan lemah ► ∆f = frekuensi layangan ► Telinga manusia hanya dapat mendeteksi layangan dengan frekuensi kurang dari 7 Hz Animasi 11.22

Aplikasi dan fenomena Layangan ► (Layangan

gelombang bunyi) Membandingkan suatu frekuensi tak diketahui dengan frekuensi yang diketahui ► (Layangan gelombang bunyi) Mengukur laju mobil dengan mendeteksi perubahan frekuensi kecil berkas gelombang radar yang terpantul dari mobil yang bergerak ► (Layangan cahaya) Pola moire yang dihasilkan bila dua kumpulan garis paralel dengan jarak sedikit berbeda saling tumpang tindih

Polarisasi ► Superposisi

dua gelombang/lebih yang bidang getarnya saling tegak lurus (misalnya arah y dan arah z)

(

y = Ay cos kx − ωt + ϕ y

)

z = Az cos(kx − ωt + ϕ z )

Polarisasi ► Ambil

saat x=0,

y = Ay cos (ωt − ϕ y ) , z = Az cos (ωt − ϕ z ) ► dengan 2

sedikit trigonometri didapatkan 2

 y   z   y  z  2   +   − 2     cos (ϕ y − ϕ z ) = sin (ϕ y − ϕ z )  Ay   Az   Ay   Az 

PR Gelombang Bunyi Buku Tipler Jilid I Hal 556 no. 79, 80 & 81